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摘 要：佛子岭水电站3号机组首次增容改造后，运行中监测到定子温度异常，机组一直不能满负荷运行。文章结合机组扩大性大修（技改），通过对机组运行工况的分析、查找原因，针对性提出技术改造方案，成功检修、恢复机组健康，实现扩容增效。
关键词：水电机组；增容改造；温升异常；技改
中图分类号：TV737 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0077-02
佛子岭水电站，位于安徽省霍山县境内，为淮河支流之一，1954年11月水库建成。水库是以防洪、灌溉为主，结合发电、城镇供水、水产养殖、旅游等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。佛子岭水电站是梯级开发的中型水力发电企业，从1954年第一台1 MW机组投产，到1973年最后一台10 MW机组投运，总装机容量为60.1 MW。
1 故障机组情况简介
佛子岭水电站3号机组由哈尔滨电机厂制造，1956年11月投入运行。2003年电站对该机组进行增容技术改造，发电机转动部分由浙江春江发电设备有限公司负责制造、组装、调试，该厂家将发电机转子磁轭更换为铸钢结构，中间带有通风槽，磁极铁芯为铸钢结构，磁极用螺杆固定在磁轭上，同时更换了转轮；定子线圈更换工作由安徽电力修造厂完成。技术改造中，保留原发电机主轴、转子支架、导水机构以及机组其他主要部件。机组设计额定有功功率由3 000 kW增容至4 500 kW，功率因数由0.8设计调整到0.9。机组试运行期间，当机组带4 000 kW负荷试验时，定子铁芯、定子线圈温度升高较快，始终保持在95℃左右，若增带负荷，温升很快突破110℃上限，机组不能正常运行；与此同时，技术人员对发电机组的上导、下导、水导（以下简称：“三导”）摆度和上机架振动进行了检测、“三导”瓦温和推力瓦瓦温也进行了检测，各项指标较为正常，空冷器、油冷器工作正常；但随着机组运行时间的增长，上导、下导瓦温缓慢上升，推力瓦温上升明显，为稳定瓦温，逐步降低负荷运行，最终能在2 500 kW负荷稳定运行。显然，机组运行异常，健康状况不佳。为了恢复机组正常运行，自2003年～2011年期间，对该机组进行了多次检修，经检查发现，转子极靴表面油漆有明显过热后留下的痕迹，转子磁极线圈等多处绝缘垫（环氧树脂板）以及其他绝缘材料过热、发黑，发黑部位绝缘材料一捅即碎。每次处理后均是如此，可以说，机组始终带病运行。
2 原因分析
根据机组运行参数的监测情况来看，水轮发电机空载运行稳定，甚至在2 500 kW负荷时依然稳定运行，各项机电参数监测指标正常。通过现场逐步增带负荷试验、参数变化情况，并对2003年来运行和历次检修情况进行分析，认为可能导致机组运行温度异常升高的原因有三：
①机组增容改造后，转子磁轭采用磁轭圈结构，磁轭部无通风沟，使得机组径向通风循环不好，使得机组运行中电流的热效应产生的热量不能正常向外界传导，经过空冷器冷却的空气不能较好流入机组定转子间隙。也就是说，由于转子结构的原因造成机组通风不畅，冷却效果不良。并且，在现象上看，机组的转动部分（转子）比定子部位过热情况严重的多，转子磁极线圈等多个绝缘垫以及接头绝缘材料发黑，发黑部位绝缘材料一捅即碎，而定子部位仅颜色稍有变化。由此判断，热源部位转子比定子产生的热量更多。
②机组增容改造后，依然使用了原来的空冷器，显然，机组增容后，转子的励磁电流和定子的线圈电流明显增大，电流的热效应也随之明显增大，原有的空冷器显然也满足不了机组增容后循环风冷却的需要，冷却效果不好。这在机组运行时风洞口可直接感受到，空冷器出口处监测到冷风温度高，与其他同容量机组相比高了很多，空冷器的冷、热风差值与其他同容量机组相比也明显异常。
③发电机转子制造工艺较为粗糙。首先，转子磁轭多处有人工打磨的痕迹，显然精加工欠缺；其次，磁极与磁轭螺栓孔有近一半对不上，需现场处理螺栓勉强才能连接固定；再次，多个磁极在安装线圈过程中，中间绝缘材料（环氧树脂板）厚度不一样；另外，在机组动态调试中，在局部点加了15 kg配重块才能平衡运行。
通过以上原因分析，确定了技术改造方案：第一，考察选择竞标方案中性价比较为合适的四川东风电机厂有限公司作为设备改造配套厂，确定设计发电机额定有功功率4 000 kW，功率因数为0.85（滞后）；第二，更换发电机转子磁轭、磁极铁芯、转子线圈；第三，重新设计选择空冷器；第四，严格对新转子精加工工艺进行检测以及测圆、静平衡试验和动平衡试验。
3 技术改造方案的实施
①设计、生产发电机转子和空冷器。其中，机组部分参数为：额定容量4705.8 kVA，额定电压6 300 V，额定电流431.1 A，额定功率因数0.85（滞后），额定励磁电压110 V，额定励磁电流340 A，转子绝缘等级F级，转子电阻（75℃）0.288 Ω，转子绕组允许温升90K（允许温度120℃），效率η（计算）=96%。空冷器的散热容量为4×50 KW。
②经过设备厂家的校核计算，发电机的转子及同轴连接的转动部件，其结构强度按最大飞逸转速设计，在飞逸转速时，运转5 min不发生有害变形。在此基础上，确定发电机大轴不更换，包括转子支架。转子支架由铸钢轮毂、钢板圆盘、立筋组焊而成的，形成圆盘式结构。
③转子磁轭由钢板叠压而成，相邻两层间相错一个极距。磁轭全长分为3段，中间有2条环形通风道，用拉紧螺杆把紧成整体，然后热套于主轴上。用来支撑磁极和传递力矩。
④磁极由磁极铁芯、磁极线圈、阻尼绕组及磁极托板组成。磁极铁芯由1.5/Q345钢板冲制叠压而成。叠压后，两端用磁极压板通过拉紧螺杆将铁芯固定成一整体。磁极线圈由3.15×35.5 mm铜带自下而上顺时针方向连续绕50.5匝（有效匝数）而成，每匝间垫0.14 mm厚的高强度环氧玻璃坯布241层作为匝间绝缘；整个线圈在夹具内加温加压，直至铜带与绝缘固化成一整体。阻尼绕组由阻尼条与阻尼环组成，阻尼条采用Φ15/T2铜棒，阻尼环采用软铜母线16×40/TMR加工而成。磁极线圈上、下端装有耐高温的环氧酚醛玻璃布板加工而成的绝缘托板，为了装配上的需要还备有1 mm及0.5 mm厚环氧酚醛玻璃布板作调整垫片。
这样改造后，叠片式磁极比实心式磁极的涡流损耗要小的多；磁轭的2条环形通风道改善了风循环条件；增大了转子磁极线圈截面积，减小了转子线圈的电流密度，有效减小控制转子线圈的热效应；同时，在机组旋转时，装在磁轭两端的风扇，形成整个风路循环的动力源，强迫冷风去冷却定、转子线圈和铁芯。
⑤空气冷却装置，采用4个空冷器（原有2个），每个有多排铜管组成，铜管表面布有铜质散热片，机组产生的热风经过散热片，热量由冷却水管中的带走，冷却后的风温控制在40℃以下，每个空冷器的散热容量为50 kW，充分满足机组散热、冷却风的需要。确保机组满负荷运行时，能够有效控制机组定、转子温度稳定在国标范围内。
⑥机组温升试验。机组安装完成后，经过严格的静态调试和动态调试。温升试验按照额定负荷（4 000 kW）的25%、50%、75%、100%递增和相应反序递减监测机组运行情况，依次进行试验，每30 min记录一次运行参数。当1小时内温度达到稳态后，进入下一负荷段试验。试验中。机组运行平稳，发电机定转子温度正常，上导、下导、水导、推力等瓦温正常、摆度正常，“三导”油槽油温正常，机组振动正常。
其中，机组满负荷试验监测的相关数据如表1所示。
4 结 语
佛子岭水电站#3机组技改的成功。对我们分析、查找和解决机组技改方面存在的不足和问题积累了经验、树立了信心。当前，国内有大量的老旧机组，亟待进行技改或增容改造，成功的的技改或增容改造能够改善机组健康状况、增加出力、提高效益，使得老水电厂重新焕发青春，为水电行业经济的发展注入新的活力。
参考文献：
[1] 马龙，周伍，曾广栋，等.葛洲坝电站3号机组增容改造稳定性分析[J].大电机技术，2012，（6）.
关键词：水电机组；增容改造；温升异常；技改
中图分类号：TV737 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0077-02
佛子岭水电站，位于安徽省霍山县境内，为淮河支流之一，1954年11月水库建成。水库是以防洪、灌溉为主，结合发电、城镇供水、水产养殖、旅游等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。佛子岭水电站是梯级开发的中型水力发电企业，从1954年第一台1 MW机组投产，到1973年最后一台10 MW机组投运，总装机容量为60.1 MW。
1 故障机组情况简介
佛子岭水电站3号机组由哈尔滨电机厂制造，1956年11月投入运行。2003年电站对该机组进行增容技术改造，发电机转动部分由浙江春江发电设备有限公司负责制造、组装、调试，该厂家将发电机转子磁轭更换为铸钢结构，中间带有通风槽，磁极铁芯为铸钢结构，磁极用螺杆固定在磁轭上，同时更换了转轮；定子线圈更换工作由安徽电力修造厂完成。技术改造中，保留原发电机主轴、转子支架、导水机构以及机组其他主要部件。机组设计额定有功功率由3 000 kW增容至4 500 kW，功率因数由0.8设计调整到0.9。机组试运行期间，当机组带4 000 kW负荷试验时，定子铁芯、定子线圈温度升高较快，始终保持在95℃左右，若增带负荷，温升很快突破110℃上限，机组不能正常运行；与此同时，技术人员对发电机组的上导、下导、水导（以下简称：“三导”）摆度和上机架振动进行了检测、“三导”瓦温和推力瓦瓦温也进行了检测，各项指标较为正常，空冷器、油冷器工作正常；但随着机组运行时间的增长，上导、下导瓦温缓慢上升，推力瓦温上升明显，为稳定瓦温，逐步降低负荷运行，最终能在2 500 kW负荷稳定运行。显然，机组运行异常，健康状况不佳。为了恢复机组正常运行，自2003年～2011年期间，对该机组进行了多次检修，经检查发现，转子极靴表面油漆有明显过热后留下的痕迹，转子磁极线圈等多处绝缘垫（环氧树脂板）以及其他绝缘材料过热、发黑，发黑部位绝缘材料一捅即碎。每次处理后均是如此，可以说，机组始终带病运行。
2 原因分析
根据机组运行参数的监测情况来看，水轮发电机空载运行稳定，甚至在2 500 kW负荷时依然稳定运行，各项机电参数监测指标正常。通过现场逐步增带负荷试验、参数变化情况，并对2003年来运行和历次检修情况进行分析，认为可能导致机组运行温度异常升高的原因有三：
①机组增容改造后，转子磁轭采用磁轭圈结构，磁轭部无通风沟，使得机组径向通风循环不好，使得机组运行中电流的热效应产生的热量不能正常向外界传导，经过空冷器冷却的空气不能较好流入机组定转子间隙。也就是说，由于转子结构的原因造成机组通风不畅，冷却效果不良。并且，在现象上看，机组的转动部分（转子）比定子部位过热情况严重的多，转子磁极线圈等多个绝缘垫以及接头绝缘材料发黑，发黑部位绝缘材料一捅即碎，而定子部位仅颜色稍有变化。由此判断，热源部位转子比定子产生的热量更多。
②机组增容改造后，依然使用了原来的空冷器，显然，机组增容后，转子的励磁电流和定子的线圈电流明显增大，电流的热效应也随之明显增大，原有的空冷器显然也满足不了机组增容后循环风冷却的需要，冷却效果不好。这在机组运行时风洞口可直接感受到，空冷器出口处监测到冷风温度高，与其他同容量机组相比高了很多，空冷器的冷、热风差值与其他同容量机组相比也明显异常。
③发电机转子制造工艺较为粗糙。首先，转子磁轭多处有人工打磨的痕迹，显然精加工欠缺；其次，磁极与磁轭螺栓孔有近一半对不上，需现场处理螺栓勉强才能连接固定；再次，多个磁极在安装线圈过程中，中间绝缘材料（环氧树脂板）厚度不一样；另外，在机组动态调试中，在局部点加了15 kg配重块才能平衡运行。
通过以上原因分析，确定了技术改造方案：第一，考察选择竞标方案中性价比较为合适的四川东风电机厂有限公司作为设备改造配套厂，确定设计发电机额定有功功率4 000 kW，功率因数为0.85（滞后）；第二，更换发电机转子磁轭、磁极铁芯、转子线圈；第三，重新设计选择空冷器；第四，严格对新转子精加工工艺进行检测以及测圆、静平衡试验和动平衡试验。
3 技术改造方案的实施
①设计、生产发电机转子和空冷器。其中，机组部分参数为：额定容量4705.8 kVA，额定电压6 300 V，额定电流431.1 A，额定功率因数0.85（滞后），额定励磁电压110 V，额定励磁电流340 A，转子绝缘等级F级，转子电阻（75℃）0.288 Ω，转子绕组允许温升90K（允许温度120℃），效率η（计算）=96%。空冷器的散热容量为4×50 KW。
②经过设备厂家的校核计算，发电机的转子及同轴连接的转动部件，其结构强度按最大飞逸转速设计，在飞逸转速时，运转5 min不发生有害变形。在此基础上，确定发电机大轴不更换，包括转子支架。转子支架由铸钢轮毂、钢板圆盘、立筋组焊而成的，形成圆盘式结构。
③转子磁轭由钢板叠压而成，相邻两层间相错一个极距。磁轭全长分为3段，中间有2条环形通风道，用拉紧螺杆把紧成整体，然后热套于主轴上。用来支撑磁极和传递力矩。
④磁极由磁极铁芯、磁极线圈、阻尼绕组及磁极托板组成。磁极铁芯由1.5/Q345钢板冲制叠压而成。叠压后，两端用磁极压板通过拉紧螺杆将铁芯固定成一整体。磁极线圈由3.15×35.5 mm铜带自下而上顺时针方向连续绕50.5匝（有效匝数）而成，每匝间垫0.14 mm厚的高强度环氧玻璃坯布241层作为匝间绝缘；整个线圈在夹具内加温加压，直至铜带与绝缘固化成一整体。阻尼绕组由阻尼条与阻尼环组成，阻尼条采用Φ15/T2铜棒，阻尼环采用软铜母线16×40/TMR加工而成。磁极线圈上、下端装有耐高温的环氧酚醛玻璃布板加工而成的绝缘托板，为了装配上的需要还备有1 mm及0.5 mm厚环氧酚醛玻璃布板作调整垫片。
这样改造后，叠片式磁极比实心式磁极的涡流损耗要小的多；磁轭的2条环形通风道改善了风循环条件；增大了转子磁极线圈截面积，减小了转子线圈的电流密度，有效减小控制转子线圈的热效应；同时，在机组旋转时，装在磁轭两端的风扇，形成整个风路循环的动力源，强迫冷风去冷却定、转子线圈和铁芯。
⑤空气冷却装置，采用4个空冷器（原有2个），每个有多排铜管组成，铜管表面布有铜质散热片，机组产生的热风经过散热片，热量由冷却水管中的带走，冷却后的风温控制在40℃以下，每个空冷器的散热容量为50 kW，充分满足机组散热、冷却风的需要。确保机组满负荷运行时，能够有效控制机组定、转子温度稳定在国标范围内。
⑥机组温升试验。机组安装完成后，经过严格的静态调试和动态调试。温升试验按照额定负荷（4 000 kW）的25%、50%、75%、100%递增和相应反序递减监测机组运行情况，依次进行试验，每30 min记录一次运行参数。当1小时内温度达到稳态后，进入下一负荷段试验。试验中。机组运行平稳，发电机定转子温度正常，上导、下导、水导、推力等瓦温正常、摆度正常，“三导”油槽油温正常，机组振动正常。
其中，机组满负荷试验监测的相关数据如表1所示。
4 结 语
佛子岭水电站#3机组技改的成功。对我们分析、查找和解决机组技改方面存在的不足和问题积累了经验、树立了信心。当前，国内有大量的老旧机组，亟待进行技改或增容改造，成功的的技改或增容改造能够改善机组健康状况、增加出力、提高效益，使得老水电厂重新焕发青春，为水电行业经济的发展注入新的活力。
参考文献：
[1] 马龙，周伍，曾广栋，等.葛洲坝电站3号机组增容改造稳定性分析[J].大电机技术，2012，（6）.